socket编程

2301_803554522025-11-17 7:06

🌟 一、Socket是什么？为什么重要？

Socket（套接字）是网络通信的端点，就像电话的两端。当两台计算机要通信时，它们各自有一个Socket，通过Socket进行数据交换。

简单比喻：想象Socket是两座城市之间的"铁路车站"，数据是"列车"，而网络协议就是"铁路系统"。

为什么学Socket编程？

  • 你写的程序能和互联网上的其他程序通信
  • 了解网络工作原理，不再只是"黑盒"使用
  • 为开发服务器、客户端、聊天应用打基础
  • 面试必问！很多大厂都考这个

📡 二、Socket基础概念

1. Socket的"五元组"

Socket通信需要五个要素：

  • 本地IP地址
  • 本地端口号
  • 远程IP地址
  • 远程端口号
  • 协议（TCP/UDP）

2. 套接字类型（关键！）

类型 说明 适用场景 优点 缺点
SOCK_STREAM 面向连接的流式套接字 适合可靠传输 保证数据顺序、完整性 有连接建立过程，稍慢
SOCK_DGRAM 无连接的数据报套接字 适合实时应用 无连接，速度快 不保证顺序和完整性
SOCK_RAW 原始套接字 网络诊断、安全工具 直接访问底层协议 复杂，一般不用

💡 重要提示 ：C++中通常用SOCK_STREAM（TCP）和SOCK_DGRAM（UDP）。

3. 通信协议：TCP vs UDP（超重要！）

特性 TCP UDP
连接方式 面向连接（需要三次握手） 无连接
可靠性 高（保证数据完整） 低（可能丢失）
顺序 保证数据顺序 不保证顺序
速度 稍慢（有握手、确认机制） 快（无握手）
适用场景 文件传输、网页浏览、邮件 视频会议、在线游戏、实时数据
比喻 电话（需要先拨号建立连接） 信件（直接寄送，不保证送达）

🌟 面试小技巧：当被问到"为什么用TCP不用UDP"时，可以说："TCP保证数据完整性和顺序，适合需要可靠传输的场景，如文件传输；UDP速度快，适合实时性要求高的场景，如视频通话。"

🛠 三、Socket编程步骤详解

🖥 服务器端编程步骤（以TCP为例）

  1. 创建Socket ：socket()
  2. 绑定地址和端口 ：bind()
  3. 监听连接 ：listen()
  4. 接受连接 ：accept()
  5. 数据传输 ：send()和recv()
  6. 关闭Socket ：closesocket()

📱 客户端编程步骤（以TCP为例）

  1. 创建Socket ：socket()
  2. 连接服务器 ：connect()
  3. 数据传输 ：send()和recv()
  4. 关闭Socket ：closesocket()

🔍 四、关键函数详解

1. socket() - 创建Socket

复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明：

  • domain：协议族
    • AF_INET：IPv4
    • AF_INET6：IPv6
    • AF_UNIX：本地通信（同一台机器上的进程间通信）
  • type：套接字类型
    • SOCK_STREAM：流式（TCP）
    • SOCK_DGRAM：数据报（UDP）
  • protocol：协议
    • 通常为0（系统自动选择）

返回值：成功返回Socket描述符（非负整数），失败返回-1

💡 示例 ：int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2. bind() - 绑定地址和端口

复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

  • sockfd：Socket描述符（由socket()返回）
  • addr：指向sockaddr结构的指针，包含IP和端口
  • addrlen：addr结构的长度

重要结构 ：sockaddr_in（IPv4）

复制代码 
struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family; // 地址族，AF_INET
    in_port_t sin_port;     // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr; // IP地址
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr; // IP地址（网络字节序）
};

💡 关键点：服务器必须绑定地址和端口，这样客户端才能知道连接哪里。

3. listen() - 设置监听队列

复制代码 
int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

  • sockfd：Socket描述符
  • backlog：请求连接队列的最大长度

返回值：成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

💡 重要提示 ：backlog通常设为5-10，表示最多可以有5-10个连接请求排队等待。

4. accept() - 接受客户端连接

复制代码 
SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr *addr, int *addrlen);

参数说明：

  • s：已绑定并监听的Socket描述符
  • addr：指向客户端地址结构的指针
  • addrlen：客户端地址结构的长度

返回值：成功返回新的Socket描述符（用于与客户端通信），失败返回INVALID_SOCKET

💡 关键点 ：accept()会创建一个新的Socket用于与客户端通信，服务器主Socket继续监听其他连接。

5. connect() - 连接服务器

复制代码 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

  • sockfd：客户端Socket描述符
  • addr：服务器地址结构
  • addrlen：地址结构长度

返回值：成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

6. send()和recv() - 数据传输

复制代码 
// 发送数据
int send(SOCKET s, const char *buf, int len, int flags);

// 接收数据
int recv(SOCKET s, char *buf, int len, int flags);

参数说明：

  • s：Socket描述符
  • buf：数据缓冲区
  • len：数据长度
  • flags：传输控制标志（通常为0）

返回值：成功返回发送/接收的字节数，失败返回SOCKET_ERROR

💡 重要提示 ：send()和recv()是阻塞的，意味着如果没有数据可读/可写，它们会等待。

🧪 五、完整代码示例（TCP）

1. 服务器端代码

复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    // 1. 创建Socket
    int serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serverSocket == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 2. 绑定地址和端口
    struct sockaddr_in serverAddr;
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(8080); // 端口号
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有IP

    if (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) {
        std::cerr << "Bind failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 3. 监听连接
    if (listen(serverSocket, 5) == -1) {
        std::cerr << "Listen failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout << "Server listening on port 8080..." << std::endl;

    // 4. 接受连接
    struct sockaddr_in clientAddr;
    socklen_t clientAddrSize = sizeof(clientAddr);
    int clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrSize);
    if (clientSocket == -1) {
        std::cerr << "Accept failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout << "Client connected!" << std::endl;

    // 5. 数据传输
    char buffer[1024];
    int bytesReceived = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytesReceived > 0) {
        buffer[bytesReceived] = '\0'; // 添加字符串结束符
        std::cout << "Received from client: " << buffer << std::endl;
        
        // 发送响应
        std::string response = "Hello from server!";
        send(clientSocket, response.c_str(), response.size(), 0);
    }

    // 6. 关闭Socket
    close(clientSocket);
    close(serverSocket);

    return 0;
}

2. 客户端代码

复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    // 1. 创建Socket
    int clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (clientSocket == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 2. 连接服务器
    struct sockaddr_in serverAddr;
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(8080); // 端口号
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 本地服务器

    if (connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) {
        std::cerr << "Connection failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout << "Connected to server!" << std::endl;

    // 3. 数据传输
    std::string message = "Hello from client!";
    send(clientSocket, message.c_str(), message.size(), 0);

    char buffer[1024];
    int bytesReceived = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytesReceived > 0) {
        buffer[bytesReceived] = '\0';
        std::cout << "Server response: " << buffer << std::endl;
    }

    // 4. 关闭Socket
    close(clientSocket);

    return 0;
}

🔧 六、常见问题与解决方法

1. "Address already in use"错误

原因：端口被占用（可能是上次运行的程序没关）

解决方法：

复制代码 
int opt = 1;
setsockopt(serverSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

2. 字节序问题（网络字节序 vs 主机字节序）

问题：不同计算机的字节序不同（大端/小端）

解决方法 ：使用htons()和ntohs()转换

复制代码 
serverAddr.sin_port = htons(8080); // 将主机字节序转换为网络字节序

3. 阻塞与非阻塞模式

阻塞模式：函数等待直到操作完成（默认）

非阻塞模式：函数立即返回，无论操作是否完成

设置非阻塞模式：

复制代码 
fcntl(clientSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK);

4. 错误处理

关键：检查每个函数的返回值，不要忽略错误！

复制代码 
if (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) {
    perror("Bind failed");
    return 1;
}

💡 七、进阶知识

1. 选择（select）与多路复用

当需要同时处理多个连接时，使用select()：

复制代码 
fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(serverSocket, &readfds);

int maxSocket = serverSocket;
int activity = select(maxSocket + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

2. 多线程/多进程服务器

  • 多线程：每个连接由一个新线程处理
  • 多进程：每个连接由一个新进程处理

3. UDP编程

UDP没有连接建立过程，直接发送和接收：

复制代码 
// 服务器
sendto(serverSocket, buffer, len, 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, sizeof(clientAddr));

// 客户端
recvfrom(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&serverAddr, &addrLen);

📌 八、总结与建议

1. Socket编程的核心思想

  • 服务器：创建Socket → 绑定 → 监听 → 接受连接 → 通信 → 关闭
  • 客户端：创建Socket → 连接服务器 → 通信 → 关闭

2. 学习建议

  1. 先学TCP：简单可靠，适合理解基础
  2. 再学UDP：了解无连接通信
  3. 动手实践：写一个简单的聊天程序
  4. 调试技巧：用Wireshark抓包分析网络通信

3. 面试常问问题

  • 为什么TCP需要三次握手？
  • 为什么TCP需要四次挥手？
  • TCP和UDP的适用场景？
  • 如何解决"Address already in use"问题？

🎯 九、最后的鼓励

Socket编程是网络开发的基石，可能一开始会有点难，但一旦掌握了，你就会发现它真的很酷！就像我第一次成功实现一个简单的聊天程序时，那种成就感简直无法形容。

💡 小贴士：在面试中，不要只说"我用过Socket"，要说"我理解Socket的工作原理，知道TCP和UDP的区别，能处理常见的错误，比如连接超时、地址占用等。"

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